[发明专利]金属-半导体电极结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件与工艺技术领域，尤其涉及一种金属-半导体电极结构及其制备方法。

背景技术

半导体器件研究中的一项重要工艺是利用金属或合金制作低电阻的接触电极。众所周知，传统的半导体接触电极制作需经过化学溶剂处理半导体表面，然后溅射金属薄膜，再进行退火等工序。样品表面的自然氧化层以及器件工艺污染也会使接触特性显著退化。此外，深能级陷阱对载流子也存在俘获效应。这些因素增加了接触电极的制作难度和接触特性。

关于半导体的接触电极一般分为两类，即n型半导体上的接触电极和p型半导体上的接触电极。

对于n型半导体，以n型宽禁带半导体氮化镓（GaN）为例，由于其电子亲和势为4.2ev，因此通常制作欧姆接触电极时选用功函数接近4.2ev的金属作为接触电极，如铟（In），铝（Al），钛（Ti），钨（W）等。早期的研究是利用Ti/Al或Al/Ti这样的双层结构，先在GaN薄膜表面依次沉积金属，然后在氮气气氛下快速退火。随着技术的进步，在Ti/Al或Al/Ti结构的基础上又进行了改进，发展了如Ti/A1/Ti/Au、Ti/A1/Pt/Au、Ti/A1/Ni/Au等多层结构。此外，也有在晶体生长过程中生长一层带隙较窄的外延层（InN），也可有效地降低接触电阻。

对于p型半导体，仍以GaN为例，需用功函数高达6.5eV的金属以形成低电阻的接触电极，但实际金属最高势垒高度没有超过6eV的，只能选用Pt、Ni、Au、Pd等高功函数金属构成复合电极。例如，在GaN LED和LD器件中， p型GaN晶体上常用Ni/Au制作接触电极，而且同样需在一定温度下快速退火。

目前，虽然金属（合金）作为电极的n型半导体的欧姆接触研究相对较系统、深入，并且接触电阻率可达到10^-5~10^-8Ωcm^-2，但是制备工艺仍较复杂，蒸镀多层金属电极，退火等工艺难以避免。而对于p 型半导体，一方面无法找到大功函数的合适接触金属，而且p型半导体本身重掺杂困难，使得制备可靠、高质、低阻值 p型接触电极仍是一个巨大的挑战。

石墨烯是由碳原子组成的极薄层状材料，最薄可到单原子层，可利用化学气相沉积，机械解理等特定条件制得，是一种零带隙、半金属的二维材料。石墨烯中的载流子运动速度可达到光速的1/300，其电子迁移率实验测量值超过15000cm²/vs（载流子浓度n≈10¹³cm^-2），在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关。此外，石墨烯的费米面可随充放电而进行调节，具有较低的载流子注入势垒，材质柔软，热力学稳定性强。这些性质是利用其形成低接触电阻电极的物理基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种金属-半导体电极结构及其制备方法，在不改变现有金属材料的情况下，能够在p型、n型及本征半导体上获得低接触电阻的电极结构。

为了解决上述问题，本发明提供了一种金属-半导体电极结构，包括半导体层和金属电极，其特征在于，在半导体层和金属电极之间进一步设置一石墨烯层，以降低金属电极与半导体层之间的接触电阻。

本发明进一步提供了一种金属-半导体电极结构的制备方法，包括如下步骤：选用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；在溶液中利用化学方法腐蚀石墨烯衬底，将石墨烯薄膜层从生长衬底上剥离；清洗半导体层的表面。用半导体将石墨烯薄膜从溶液中捞起，表面张力使得石墨烯薄膜层均匀铺展并吸附在半导体层的表面，从而在半导体层表面形成石墨烯层；在石墨烯层的表面形成金属层；在金属层表面形成刻蚀阻挡层；刻蚀金属层与石墨烯层至半导体层停止，形成电极结构。

本发明进一步提供了一种金属-半导体电极结构的制备方法，包括如下步骤：选用化学气相沉积的方法在生长衬底上制备石墨烯薄膜层；在石墨烯薄膜层上涂敷粘附层，形成粘附层与石墨烯的复合薄膜层；在溶液中利用化学方法腐蚀石墨烯衬底，石墨烯薄膜与粘附层从生长衬底上剥离使其漂浮在液面上；清洗半导体层的表面；将石墨烯薄膜与粘附层的复合薄膜层压印在半导体层的表面；将粘附层去除，从而在半导体层表面形成石墨烯层；在石墨烯层的表面形成金属层；在金属层表面形成刻蚀阻挡层；刻蚀金属层与石墨烯层至半导体层停止，形成电极结构。